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      一種護理床的起背機構運動滑移分析

      2022-08-26 03:03:42周浩東李洪洲張軒銘任樹娟褚亞旭呂金賀
      機械工程師 2022年8期
      關鍵詞:床體背板推桿

      周浩東,李洪洲,張軒銘,任樹娟,褚亞旭,呂金賀

      (北華大學機械工程學院,吉林吉林 132021)

      0 引言

      隨著社會的發(fā)展和科技的進步,智能護理設備慢慢走進了人們的生活。護理床作為一種普遍的護理產(chǎn)品,從最開始的手搖式鋼床到現(xiàn)在的電動式護理床,護理床的功能也日趨全面[1]。隨著護理床功能越來越多,患者對使用的舒適性要求越來越高。

      在多功能護理床的研制領域,2015年,劉方圓等[2]設計了一款多功能護理床,對屈腿功能進行創(chuàng)新,實現(xiàn)屈腿、抬腿和交叉活動小腿功能的轉換。2017年,丁軍政等[3]設計了一款多功能電動護理床,集病床、康復、健身為一體。上述護理床一般具有起背、屈膝、床體升降和側翻身等多種功能[4-6]。其中對于起背功能,由于人體背部會不可避免地與背板產(chǎn)生相對位置變動,使背板拉扯病人背部衣服,使病人呼吸困難。針對上述問題,本文提出一種同旋轉中心的起背機構。

      1 護理床的扯背現(xiàn)象分析

      1.1 起背機構的相對滑移分析

      傳統(tǒng)護理床在起背時,由于人體的旋轉中心與背板的旋轉中心不同軸,導致人體背部與背板會產(chǎn)生一個相對位置滑移,使人體背部衣服被拉扯。對于健康的人而言,自己可以通過調(diào)節(jié)背部姿態(tài)來適應背板的位置,但對于不能自理的病人或者老人來說,他們無法調(diào)節(jié)自身背部姿態(tài),易產(chǎn)生危險。

      為分析人體背部與背板相對滑移的實際情況,將人體起背運動簡化,具體的人體尺寸參照中國成年人人體尺寸[7-8],建立起背運動模型,如圖1所示。在起背的過程中,把人體背部與背板的相對狀態(tài)看作是平行接觸,當背板慢慢抬起時,人體尾椎以上部分隨著背板旋轉。

      圖1中O′點和O點分別為人體起背旋轉中心和背板旋轉中心。在平躺狀態(tài)下,選取背部與背板接觸的一點,點A為接觸點。從病人的角度出發(fā),如果要使病人有較好的舒適度,平躺時的接觸點A在執(zhí)行起背動作后成為起背時的點B′,但因為人體起背旋轉中心O′和背板旋轉中心O不同軸的原因,平躺時的接觸點A慢慢形成人體背部點B′和背板上的點B,也就形成了相對滑移,其滑移量為BB′,使病人感受到一種被拉扯的感覺。

      為進行起背過程的力矩分析,將圖1進行簡化,并建立直角坐標系,如圖2所示。兩者的旋轉中心還是O點和O′點,R1為人體上半身的重心到人體旋轉中心O′點的距離,R2為背板重心到背板旋轉點O點的距離,a為在x軸方向上O點和O′點之間的距離,b1、b2為旋轉過程中背板和背部重心在x軸方向上分別到背板的旋轉點之間的距離。

      圖1 起背運動模型

      圖2 起背力矩分析圖

      1.2 起背過程的力矩分析

      式中:G1為人體背部的重力;G2為背板的重力;α為背板的旋轉角度。

      把式(2)、式(3)代入式(1)可得

      在起背0°~90°的過程中,會出現(xiàn)兩種情況:第一種情況是重心點在x軸上的投影在背板旋轉點的右側;第二種情況是在重心點在x軸上的投影在背板旋轉點的左側。第二種情況下,電動機不再給人體提供額外的力矩[9],因此可以認為T1=0,故有

      根據(jù)人機工程學中我國人體尺寸的國家標準,初步擬定a=68.5 mm,R1=500 mm。代入式(5),可得t≈13.69 s。考慮到本文的起背板只能起背75°,計算可得旋轉75°所需時間t=12.5 s。

      綜上所述,可得

      1.3 起背滑移量分析

      為分析扯背過程中的相對滑移量,對傳統(tǒng)的起背過程進行了簡化,如圖3所示。

      圖3 傳統(tǒng)背板滑移量分析圖

      如圖3所示,已知O′點為人體的背部旋轉點,b為點O′到床體的垂直距離,即O′D=b。選取A點為人體背部和背板的接觸點,取O′A=r2,B′為人體背部起背后A點到達的位置??傻?/p>

      由式(7)可得

      點C為B′點投影到經(jīng)過O′點的水平線上的交點。直線O′C和直線OA平行,由內(nèi)錯角相等的定理可知∠CO′A=∠O′AO。

      取OA=r1,以O為圓心,背板上點A通過旋轉α角成為B點,其中BB′即為相對滑移距離,取為BB′=Δs。已知旋轉角度為α,可知∠B′O′A=∠B′OA=α。可得

      通過式(9)可知:

      結合式(10)和式(11),可知點B′的坐標為

      根據(jù)背板旋轉α角,令直線OB′為y=kx+c,其中k=tan α。根據(jù)點B′的坐標可知直線OB′的函數(shù)式,可得

      根據(jù)式(12)可得點O的坐標為

      結合式(13)和式(14)可得OB的距離,即相對滑移量Δs,計算公式為

      根據(jù)人體工程學[10]中的中國成年人人體尺寸將肩胛骨選定為人體背部和床體的接觸點,初定b=68.5 mm,r2=500 mm,代入Δs的函數(shù)式,可得相對滑移量Δs=105.12 mm。

      1.4 背板滑移補償方案

      為了消除背板的相對滑移所產(chǎn)生的拉扯感,需要對其進行補償。該護理床從背板和人體不同位置的原因出發(fā),設計一種使得人體旋轉中心和背板旋轉中心能夠重合的機構,從而消除相對滑移的現(xiàn)象,讓病人能夠有較好的舒適度。

      以人體旋轉中心為圓心,建立x、y軸,如圖4所示。初步擬定背板初始位姿為水平姿態(tài),隨著人體旋轉中心旋轉,背板從0°逐步旋轉至75°。在背板上人體與背板的接觸點A點也隨著人體旋轉中心旋轉,即點A在圓弧AB′上移動,也就達到了防止起背過程中接觸點分離、產(chǎn)生扯背現(xiàn)象的目的。

      圖4 滑移矯正方案圖

      通過上述思路,在背板下添加支撐結構,分析底板EF。在起背過程中,底板EF的位姿隨人體旋轉中心點O′改變,所以點E和點F都分別在以點O為圓心所對應半徑的圓上,也就是點E的運動軌跡(圓弧EE′)和點F的運動軌跡(圓弧FF′)。在此基礎上,以圓弧FF′來設計軌道板來輔助背板實現(xiàn)起背功能,圖5 為軌道板渲染圖。

      圖5 軌道板渲染圖

      2 護理床總體結構和動作原理

      圖6所示為同旋轉中心防扯背護理床整體結構,主要由床體、背板、軌道板和電動推桿等部分組成。軌道板設置在床體兩側,用電動推桿鉸接背板,電動推桿推動背板,背板沿著軌道板的軌道運動。

      圖6 同旋轉中心防扯背護理床整體結構

      3 起背機構仿真分析

      3.1 起背機構相對位移仿真分析

      用SolidWorks Motion進行運動學仿真分析,馬達驅動電動推桿,沿推桿軸線方向,速度設定為10 mm/s,設定人體背部重力為450 N。

      根據(jù)實際情況,添加了引力,并且設定了軌道板、背板和床體之間的實體接觸,最后得出motion 圖像,通過Excel 將數(shù)據(jù)導出,利用MATLAB軟件得出相對滑移曲線圖像。根據(jù)傳統(tǒng)背板的相對滑移量公式(15),用MATLAB軟件得出傳統(tǒng)背板的相對滑移曲線。將2個相對滑移曲線圖進行比較,得出人體與背板的相對滑移曲線對比圖,如圖7所示。

      圖7 人體與背板的相對滑移曲線對比圖

      3.2 起背機構的靜力學仿真

      運用SolidWorks的Simulation對背板進行靜力學仿真分析。選擇材料為合金鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28,屈服強度為620 MPa。取人體背部重力為450 N,進行負載和夾具的設定,在背板上施加一個450 N垂直于板面的力,軌道桿上設定為固定,并在背板推起處設定夾具為固定鉸鏈。對背板進行標準網(wǎng)格劃分,得到背板網(wǎng)格劃分圖,如圖8所示。其中節(jié)總數(shù)為217 680,單元總數(shù)為130 074。設定完畢,對其進行分析。最終得出應力分布圖(如圖9)、應變分布圖(如圖10)及位移分布圖(如圖11)。

      圖8 背板網(wǎng)格劃分圖

      圖9 應力分布圖

      圖10 應變分布圖

      圖11 位移分布圖

      從圖8可知,背板的最大應力等于9.093 MPa,小于機構材料的許用應力620 MPa。在外部載荷的作用下,最大位移為1.551×10-4m,對背板的影響比較微小,均滿足了材料的強度要求和設計的剛度要求。

      4 結論

      對于傳統(tǒng)護理床起背機構產(chǎn)生的扯背現(xiàn)象,分析了扯背機理,并得到了起背過程中背板和人體接觸之間的相對滑移量,最大值為105.12 mm。同時設計開發(fā)了一種同旋轉中心防扯背護理床,其相對滑移量為0 mm,消除了扯背現(xiàn)象。運用SolidWorks對起背機構進行有限元分析,為結構設計的合理性提供依據(jù)。

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